基于4K IP化发展及播出应用研究

于佳

【摘要】通过IP、SDI发展历程解析广电行业IP化的内在驱动力，SMPTE ST2110标准发布，使广电行业有了4K超高清电视从传统专用SDI架构转向IP解决方案的标准依据，通过分析4K超高清制播流程的IP化应用，探索电视台在推进4K超高清电视发展进程中的IP化发展分步走道路及前景。

【关键词】IP;SDI; 4K;播出;应用

中图分类号：TN94                 文献标识码：A               文章编号：1673-0348（2020）012-127-05

Abstract：Through the development of IP and SDI， the internal driving force of IP in broadcasting industry is analyzed， and the SMPTE ST2110 standard is released， which makes the broadcasting industry have the standard basis for 4K ultra-high-definition TV to change from traditional special SDI architecture to IP solution. By analyzing the IP application of 4K ultra-high-definition production and broadcasting process， this paper explores the step-by-step development path and prospect of IP development of TV stations in promoting the development of 4K ultra-high-definition TV.

Key words：IP; SDI; 4K; Broadcast; Application

Hello World，现在是互联网蓬勃发展时代。IPV6、5G、人工智能、大数据、区块链等核心技术助力万物互联，将进一步推动互联网红利共享。广电行业能享受互联网红利吗？本文解析SDI、IP化选择要素并对中央广播电视总台的具体应用进行探讨。

1. 电视中心的SDI/IP发展历程

1.1 IP概念及演进

Internet起源于1969年美国国防部高级研究项目管理局（APRA：AdvancedResearch Projects Agency）的科研项目分组交换的广域网（Packet-Switched wide-area network），TCP/IP协议就是描述定义Internet的协议，是一组网络通信的协议组合。IP（Internet Protocol）协议是网络层协议，主要用于互联网通信，可以把各种不同的数据统一转换成IP数据包格式，使所有连接在互联网上的设备都能在互联网上实现互通，具有开放性的特点，是TCP/IP协议族的核心。1981年IP（网际协议）协议投入使用。我们说IP化，就是将需要通过链路传输的信息，放到统一的TCP/IP平台上进行传输，通过IP数据包的形式进行传输，不用因为区分不同的业务而设置不同的管理平台、数据格式和传输介质。

IEEE802.3标准集（如表1）自1983年起发布，定义了以太网介质访问控制协议CSMA/CD及物理层技术规范。以太网线路速率在发展中不断提升。

1.2 SDI标准及优劣对比

SDI（Serial Digital Interface）（如表2）接口指串行数字接口，用于传输无压缩、未加密的数字视频信号，是技术成熟的专业数字视频接口。

1994年，ITU-R发布BT.656-2建議书，定义了10比特传输与非归零反向（NRZl）编码的新型串行数字接口，即“SD-SDI”的由来。SDI逐渐在全球广播电视系统演播室、主控、播控系统及监控等行业得到广泛应用。具备以下特征：专用网络、单向传输、传输有序、一电缆一信号、信号传输质量高、延时低、可靠性高。早期传输速率大大满足电视信号传输需求。

随着传输速率的增加，SDI传输距离越来越短。SDI接口传输无压缩4K UHD信号，需要采用1个12G-SDI接口，或者采用4个3G-SDI接口，4*3G四链路传输，既复杂，线缆也多。此外，因为一根线缆只能单向传输一路，节目源多则线缆多。这使得矩阵调度系统越来越大，布线多、复杂、占用空间大、成本高、建设和维护难度高。图1为播出系统144*144 SDI矩阵，总台总控576*576 SDI矩阵的布线则更为庞大。

对于简单的点对点连接、设备少的小型系统来讲，SDI架构有优势。随着需求的提升，对于设备多、大型复杂系统等多数情况来讲，IP架构只需系统内各设备用网线/光纤连接到交换机，这根线缆不仅带宽高、双向化传输，满足4K UHD信号带宽需求，还能同时传输辅助数据等多个信号，不需要进行同步网、控制网、视音频信号网络的架设，结构简洁伴随着线缆少、布线简单。交换机的交换容量与大小无关，占用空间进一步减少。IP架构传输和处理海量数据非常容易，具备扩展性强、易控制、易升级的特点。网络与传输内容无关，开放化、灵活性高、适应性强，非常适应当前灵活多变的传播模式，如直播、OTT等新型传播模式。

总台的4K/8K+5G+AI发展战略若依托于SDI，将受到带宽瓶颈约束。20世纪90年代，是SD-SDI、HD-SDI时代，主流以太网带宽从100M过渡到1G，无法满足视频传输带宽。进入21世纪后，视频传输带宽需求由3G-SDI到12G-SDI，电子行业兴起促使IP迅猛发展，以太网带宽由10G发展到40G、100G、25G，带宽增长速度远远超过了视频传输带宽需求，成为4K/8K+5G+AI发展模式下IP结构比对SDI传输的最大优势。

部署IP化网络架构，需要有具体标准支持。本着Everything over IP的理念，一起来看SDI over IP协议。

1.3 SDI over IP

SDI over IP即通过IP网络来传输SDI信号。在发展中分为SMPTE与AVB（Audio Video Bridging）两个阵营，AVB是电气与电子工程师协会制定的标准，应用时必须使用AVB专用交换机。相比较，美国电影电视工程师协会SMPTE专为广电行业制定的标准更具业内优势，得到业内众多厂商的支持，目前作为主流标准。

SMPTE ST 2022系列标准描述如表3，SMPTE 2022系列标准仅定义了无压缩高清信号传输格式，未定义4K/8K UHD信号传输格式。视频、音频、元数据混合在一起打包传输，无法满足演播室、转播车等不同数据分别处理的需求场景，需要解嵌、数据处理、再加嵌的额外加解嵌处理过程。并且，ST2022标准有个别操作方案未具体化，厂商只能自行采取解决方案进行处理，导致各厂商设备互联互通性差。用户希望能推出统一的、开放的标准，促使不同设备互联互通，行业进入良性发展。

在这样的意愿推动下，2017年9月-2019年初，发布了SMPTE 2110系列标准（如表4），把SDI信号中的视频、音频、辅助数据分成三个流封装到不同的IP包进行传输，免去了加嵌、解嵌的复杂处理，系统带宽更富弹性、可扩展性增强。

2019年4月，欧广联EBU呼吁电视行业加快采用AMWA NMOS发布的IS-04， IS-05，IS-06协议，助力IP化，AMWA NMOS为网络媒体开放规范，定义了ST-2110标准下设备的发现、注册和连接管理。设备若支持NMOS，将减少大量人工配置工作，实现即插即用，具备和SDI接口类似的易用性。

2018年总台搭建4K相关系统时，已密切关注ST 2110标准进展情况，提出未来可兼容ST 2110标准的扩展需求。

1.4 厂商产品支持

ST 2110标准发布后，2019年下半年，多家厂商即陆续推出支持ST 2110标准的产品及解决方案，ST 2110成为行业内的主流IP标准，之前各自为战的混乱局面趋于统一，为取代SDI传统架构和广泛应用IT基础设施打下基础。

索尼2019年8月交付黑龙江广播电视台的IP live 4K转播车，采用4K IP+HD SDI混合构架，支持ST2110的单流4K IP，支持ST2059、ST2022-7，采用PTP精准锁相。产品视频切换台、4K摄像机等支持ST 2110和AMWA NMOS标准，兼容支持12G-SDI接口。草谷GV的通用交换机，支持1/10/25/40/50/100 G的以太网接口，同步采用IEEE-1588-2008 （PTPv2， ST-2059），无阻塞、零丢包架构，端口延时低，提供丰富的实时监测信息。其他厂商如华为、思科、Artel、泰克等均推出支持ST 2110的产品系列。集成商如世纪睿科提供支持ST 2110的全套标准化无压缩IP系统集成。4K超高清播出系统备路采取了Imagine的IP视频服务器，同时支持ST 2110 IP流和SDI流。

2. 4K IP化应用：4K播出系统 SDI+IP混合架构

中央广播电视总台对节目制播全流程进行了4K超高清建设改造，台内前期拍摄、后期制作、总控、播出全链路制播流程图（如图3）。

总台制播流程的多个环节采用了IP化架构，分为两种模式，一种是全IP架构，如E16演播室、CCTV第八演播室（800平米）的4K视频系统、4K IP化移动外场系统、IP化外场移动总控系统均采取了全IP架构;一种是IP+SDI混合架构，如4K超高清外场厢载式转播制作系统（EFP）、CCTV-4K超高清播出系统。这些IP化系统均兼容支持SDI接口。对于只有SDI接口的设备，可通过网关将SDI信号和IP信号转换后再进行信号处理。

各系统间的外部接口信号为TICO浅压缩信号和SDI基带信号。实现制播网端到端全IP化，还需继续推进各系统全流程、及系统间的4K ST2110信号无压缩单流IP化。

应用案例如4K超高清外场厢载式转播制作系统（EFP），采用了IP+SDI架构，支持ST2110，包含核心交换机、切换台、摄像机、IPG网关、录制播放服务器等核心设备。支持16个4K有线讯道，设置一级核心交换机，采用Sony的LSM系统进行SDN管理。同时，为保证重要时政任务，可以拆分出4*3G SDI的8讯道4K传统基带系统，监看系统为传统高清视频矩阵。

CCTV第八演播室（800平米）4K视频系统，采用全IP架构，包含摄像机、IP切换台、数据交互系统（采用主备COTS交换机）、录制播放服务器、字幕包装設备等核心设备。核心架构采用COTS交换机和IP切换台。支持ST 2022-7。4K信号采用LLVC浅压缩编码、NMI协议传输。

2018年10月1日， 4K超高清频道开播，4K超高清播出系统投入使用。4K播出系统采用SDI+IP混合架构，支持ST2110标准，具体架构设计如图4所示。

2.1 播出视音频切换系统

播出视音频切换系统的主路为SDI架构，采用4路*3G-SDI信号，支持SQD格式和2SI格式。备路为IP架构。信号输入共7路UHD Q-LINK信号，其中4路为总控TICO解码信号。信源信号经分配后，同时送SDI和IP两个链路进行处理。

核心设备播出视频服务器采用主备SDI+IP异构设计，连接核心交换机进行信号输入输出。主播出链路服务器PGM输出SDI信号，封装后输入交换机，通过IP/SDI网关实现IP倒换。备播出服务器支持IP信号处理，同时也能兼容SDI信号处理。

配置3台IP/SDI网关，具备帧同步，加解嵌，上下变换等处理功能，每台支持8通道UHD信号的封装与解封装。采用7个通道对信号源进行封装，通过IP/SDI网关的2个100G接口，以ST 2022-7冗余备份格式送入主备核心交换机。

2.2 技监系统

为了方便SDI+IP混合架构下各路信号的技术监看，系统设计了SDI、IP不同的信号调度系统，并配置SDI基带示波器和IP示波器。其中IP示波器具备IP和SDI两种接口，可分别接收IP信号和SDI信号，对两种信号实施监测。

2.3 画分监看系统

配置2台画分服务器，支持20G的ST 2110 IP信号输入和24通道3G SDI信号输入。针对无压缩UHD信号的监看，为节省系统带宽资源，IP/SDI网关封装通道支持代理功能，画分通过交换机获取10个UHD通道的ST 2110代理信号进行监看，单个代理信号带宽仅1.5G。

2.4 同步系统

SDI+IP混合架构的搭建注定需要系统同时具有IP系统的PTP信号和SDI系统的BB信号。为确保视音频分离传输的对齐，IP系统采用PTP作为统一时间/频率基准。配置主备SPG8000A同步信号发生器，由现有同步时钟进行同步锁相及时码锁定，同时产生PTP信号。

SPG8000A输出与PTP信号相位匹配的传统BB信号，经过ECO8000倒换输出后，送传统SDI设备进行同步锁定。

2.5 基础网络

IP架构的核心交换设备采用CISCO Nexus 9236C作为核心交换机，具备36个100G接口，每个端口支持Break Out（1/10G或25G或40G）。连接IP-SDI网关（每台2*100G接口：采用单流传输无压缩4K UHD信号，满足网关设备IP接口带宽大于等于25G的需求）、IP多画面分割器（每台4*10G接口）、IP监听单元（1*10G接口）、视频服务器（每台2*25G接口）、同步发生器（每台2*1G接口）、IP示波器（2*25G接口，2*10G接口）等设备。

3. 下一步思考

SDI设备拥有广泛应用的基础，SDI技術也并未止步发展，还在继续探索中。虽然IP设备成本较SDI低，但全部淘汰旧有设备的综合成本并不低。此外，需要对技术人员进行培训，技术人员要适应新结构、新工作模式，在探索适应期需要为确保信号安全和信号质量付出额外努力。实际应用中，系统为SDI+IP混合架构、系统中SDI接口设备混合存在的情况将持续较长一段时间，在4K超高清改造进程中，制播网逐步过渡到全IP架构，逐步替换SDI设备较为可行。

SDI链路点对点连接，不存在堵塞丢包问题。IP网络基于分组交换、统计复用技术，会造成拥塞、丢包、视频花屏等情况，安全性、稳定性、可靠性上较SDI有更多的不确定性，因此，以往业内人士对IP化方案多有疑虑。标准的发布给出一定的解决方案，厂商也在致力于给出IP数据传输延时与抖动、丢包、时钟精度等关键点的最优方案，如严格保证每路信号带宽，采用无阻塞调度机制，采用NBM（非拥塞）网络拓扑结构，实现微秒级延时等技术。但目前国际国内还没有IP链路4K UHD电视信号的延时、抖动、丢包等相关技术指标标准，如何对电视信号质量进行监测及判定有待进一步发展，并需要继续探寻提升电视信号质量的技术手段。

SDI网络链路对应物理连接，易于定位问题。IP架构的日常运维、问题定位和传统SDI架构大不相同。IP化后SDN实现网络的路径规划、带宽管理、Qos保证、实时流量监测等功能，各厂商采用自己的技术方案积极应对，如基于大数据和AI技术进行监控、故障判断及定位。但SDN网络控制的稳定性、可靠性、安全性还需要在各种应用中继续检验与验证。此外，IP化还需要给予网络安全更多的关注与防范。

在4K/8K超高清系统IP化基础上，技术人员还要继续深入挖掘云化、大数据、AI人工智能、5G等技术以联合纵横，在新一轮万物互联的发展浪潮里，助力广电行业向智慧广电转型升级。

参考文献：

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